BADANIA MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH W NISKICH TEMPERATURACH

Transkrypt

1 BADANIA MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH W NISKICH TEMPERATURACH Dr inż. Marek Pszczoła Katedra Inżynierii Drogowej, Politechnika Gdańska Warsztaty Viateco, czerwca 2014

2 PLAN PREZENTACJI Wprowadzenie Mechanizm powstawania spękań niskotemperaturowych Rozkład temperatury w warstwach asfaltowych Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych w niskich temperaturach Naprężenia termiczne w warstwach asfaltowych Podsumowanie i wnioski 2

3 WPROWADZENIE Badania odporności mieszanek mineralnoasfaltowych na powstawanie spękań niskotemperaturowych prowadzone są na Politechnice Gdańskiej od lat 70-tych XX w. Opracowano i zmodyfikowano metodę zginania i pełzania próbek w niskich temperaturach w schemacie belki trzypunktowej Na przestrzeni lat badano właściwości niskotemperaturowe różnych typów mieszanek mineralno-asfaltowych z różnymi asfaltami 3

4 MECHANIZM POWSTAWANIA SPĘKAŃ NISKOTEMPERATUROWYCH 4

5 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE DUŻY WPŁYW Rodzaj i właściwości asfaltu, sztywność mieszanki mineralno-asfaltowej Temperatura, tempo schładzania nawierzchni Grubość konstrukcji, a przede wszystkim grubość warstw asfaltowych Wiek nawierzchni, związany ze starzeniem MMA 5

6 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SPĘKANIA NISKOTEMPERATUROWE MAŁY WPŁYW LUB WPŁYW NIEZNANY Typ kruszywa Szerokość nawierzchni, współczynnik tarcia pomiędzy warstwą asfaltową a podbudową z kruszywa, typ podłoża gruntowego Obciążenie ruchem pojazdów (nie wpływa na powstanie ale istotnie wpływa na szybkość propagacji spękania) 6

7 WNIOSKI PRAKTYCZNE Z TEORII Im dłuższy czas relaksacji i wyższy moduł sztywności MMA tym większe naprężenia termiczne i szybsze powstanie spękań niskotemperaturowych Im twardszy asfalt w MMA tym więcej spękań niskotemperaturowych 7

8 PRZYKŁADOWY ROZKŁAD TEMPERATURY - STYCZEŃ 8

9 PRZYKŁADOWE POMIARY TEMPERATURY - ZIMA

10 PRZYKŁADOWE PRĘDKOŚCI CHŁODZENIA NAWIERZCHNI ZIMA 2012 Lp. Nazwa stacji Lokalizacja T min na powierzchni nawierzchni T powietrza 20 cm nad powierzchnią nawierzchni Maksymalna prędkość chłodzenia nawierzchni ΔT [ C] Maksymalna prędkość chłodzenia powietrza ΔT [ C] Spadki temperatury poniżej -16 C 1. Dachowa 2. Wiskitki 3. Sędziszów Małopolski DK2 - okolice Warszawy DK50 okolice Warszawy Stacje GDDKiA ,5 2,7 3,7 9 dni -19,4-22,4 2,3 3,1 10 dni DK4-20,5-26,1 2 3,5 14 dni Stacje IMGW 4. Łódź Łódź brak danych -21,9 brak danych brak danych 9 dni 5. Rzeszów Jasionka Rzeszów brak danych -27,5 brak danych brak danych 16 dni 10

11 BADANIA LABORATORYJNE Zginanie próbek ze stałą prędkością deformacji Zginanie próbek przy stałym obciążeniu (creep test) Pośrednie rozciąganie Rozciąganie termiczne przy ograniczonym odkształceniu (test TSRST) 11

12 BADANE MATERIAŁY Beton asfaltowy AC, w tym również AC WMS oraz mastyks grysowy SMA Asfalty zwykłe, modyfikowane elastomerem SBS oraz asfalty wielorodzajowe Mieszanki przygotowane w laboratorium lub dowiezione z wytwórni Próbki po laboratoryjnym starzeniu krótko i długoterminowym Badania dotyczyły głównie warstwy ścieralnej 12

13 ZGINANIE ZE STAŁĄ PRĘDKOŚCIĄ DEFORMACJI Bez obciążeń F=0 c a h e c=h/2 Po obciążeniu F>0 F e+p gran p max e c c a R rz 3F max 2 2bh l S 13

14 ODKSZTAŁCENIE GRANICZNE 14

15 BADANIE PEŁZANIA (CREEP TEST) Temperatura badania od C do C 15

16 Odkształcenie [x 10-3 ] MODEL TEORETYCZNY BURGERSA E 1 1 Odkształcenie przy obciążeniu 0 t t 0, σ 0 = const. E 2 2 ( t) 1 t 1 t 0 1 exp E1 1 E ,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 AC - temperatura badania-10 0 C Czas [s] Odkształcenie przy odciążeniu t>t 0, σ 0 = 0 t t 0 1 t t exp exp E

17 MODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI 17

18 WSPÓŁCZYNNIK LEPKOŚCI 18

19 RELAKSACJA NAPRĘŻEŃ 19

20 BADANIA METODĄ POŚREDNIEGO ROZCIĄGANIA Moduł sztywności sprężystej Wytrzymałość na pośrednie rozciąganie Zakres temperatur od -30ºC do +10ºC 20

21 WYNIKI BADAŃ METODĄ POŚREDNIEGO ROZCIĄGANIA 21

22 ROZCIAGANIE TERMICZNE PRZY OGRANICZONYM ODKSZTAŁCENIU (TEST TSRST) Metodyka badań zgodnie z normą AASHTO TP Od lipca 2012 według normy PN-EN :2012 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco Część 46: Pękanie niskotemperaturowe i właściwości w badaniach osiowego rozciągania Prędkość chłodzenia 10 C/h Pierwsze badania: Monismith (1965), potem Fabb (1974), Arand (1990) 22

23 METODA TSRST SCHEMAT 23

24 Naprężenie [MPa] SPOSÓB OCENY TSRST Badanie TSRST (przykładowa próbka f2/1) 2,5 Naprężenie przy pęknieciu =2,25 MPa Punkt pękniecia Pp (-23,5 0 C) Strefa relaksacji naprężeń 2 1,5 1 Temperatura przejścia - koniec strefy relaksacji Tp (-14,95 0 C) 0, Temperatura [ 0 C] 24

25 Temperatura pęknięcia, Tp, TEMPERATURA PĘKNIĘCIA Rodzaj zastosowanego asfaltu 0 C 0-5 zwykły 50/70 modyfikowany DE 80B wielorodzajowy 50/

26 NAPRĘŻENIA TERMICZNE METODA HILLSA I BRIENA 1 S x, 1 t, T T S t T T S (T, t) t T α ΔT μ - moduł sztywności z badań - czas - temperatura - współczynnik rozszerzalności termicznej - przedział temperatury - współczynnik Poissona 26

27 Naprężenia termiczne, [MPa] PRZYKŁAD OBLICZEŃ NAPRĘŻEŃ TERMICZNYCH Naprężenia termiczne przy V T =10 0 C/h, próbki po STOA 5,0 4,5 asfalt zwykły 50/70 asfalt modyfikowany DE 80B asfalt wielorodzajowy 50/70 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Temperatura, [ 0 C] 27

28 NAPRĘŻENIA TERMICZNE OBLICZONE I ZBADANE LABORATORYJNIE Naprężenie termiczne [MPa] Beton asfaltowy z asfaltem zwykłym 50/70, po STOA naprężenia termiczne z metody Hills'a i Brien'a średnie naprężenia termiczne z metody TSRST 5,0 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki k1/1 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki k1/2 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Temperatura [ 0 C] 28

29 NAPRĘŻENIA TERMICZNE OBLICZONE I ZBADANE LABORATORYJNIE Naprężenie termiczne [MPa] Beton asfaltowy z asfaltem modyfikowanym DE 80B, po STOA naprężenia termiczne z metody Hills'a i Brien'a średnie naprężenia termiczne z metody TSRST 5,0 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki h1/1 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki h1/2 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Temperatura [ 0 C] 29

30 NAPRĘŻENIA TERMICZNE OBLICZONE I ZBADANE LABORATORYJNIE Naprężenie termiczne [MPa] Beton asfaltowy z asfaltem wielorodzajowym 50/70, po STOA naprężenia termiczne z metody Hills'a i Brien'a średnie naprężenia termiczne z metody TSRST 5,0 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki f1/1 naprężenia termiczne z TSRST dla próbki f1/2 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Temperatura [ 0 C] 30

31 BADANIA TERENOWE SPĘKAŃ POPRZECZNYCH (POLITECHNIKA GDAŃSKA) Lata 1999, 2000, 2005, 2012 Obserwacje 143 odcinków dróg Dokładne badania nawierzchni 95 odcinków 42 odcinki - nawierzchnie podatne 43 odcinki - nawierzchnie półsztywne 31

32 SPĘKANIE NISKOTEMPERATUROWE DR Nr 591 Km

33 KLASYFIKACJA NIESPĘKANE <2 spękania /km MAŁO SPĘKANE 2 10 spękań/km ŚREDNIO spękań/km MOCNO > 50 spękań/km 33

34 b s średnio INTENSYWNOŚĆ SPĘKAŃ spękane 54,5% NISKOTEMPERATUROWYCH Województwo podlaskie Województwo warmińsk bardzo spękane 40,0% średnio spękane 60,0% PODLASKIE Województwo pomorskie WARMIŃSKO - MAZURSKIE Województwo p bardzo spękane 11,1% nie spękane 22,2% POMORSKIE mało spękane 11,1% b sp 4 średnio spękane 55,6% 34

35 WNIOSKI Z BADAŃ TERENOWYCH W przeszłości stosowano miękkie asfalty D70, ale spękania niskotemperaturowe występują Najwięcej spękań niskotemperaturowych w woj. podlaskim tylko 7% badanych odcinków bez spękań niskotemperaturowych (poniżej 2 na 1 km) 7% ma ponad 50 spękań na 1 km Więcej spękań na starych nawierzchniach (sztywne i kruche) Więcej spękań przy sztywnych warstwach asfaltowych (większe naprężenia termiczne) 35

36 PODSUMOWANIE I WNIOSKI Wpływ rodzaju asfaltu na odporność na spękania niskotemperaturowe okazał się istotny we wszystkich zastosowanych metodach badawczych Wyniki badań pełzania wykazały wyraźny wpływ niskiej temperatury na wszystkie analizowane cechy reologiczne zarówno betonu asfaltowego BA jak i mastyksu grysowego SMA Zastosowany model reologiczny Burgersa pozwolił na uzyskanie dużej zgodności wyników doświadczeń z opisem teoretycznym modelu 36

37 PODSUMOWANIE I WNIOSKI W badaniu TSRST niższe temperatury pęknięcia uzyskały betony asfaltowe z asfaltami bardziej miękkimi (o wyższej penetracji), mniej wrażliwe termicznie (o wyższym indeksie penetracji) Z porównania naprężeń termicznych zbadanych metodą laboratoryjną TSRST oraz obliczonych metodą analityczną uzyskano dość dobrą zgodność wyników obliczeń z wynikami badań laboratoryjnych Z badań terenowych wynika, że więcej spękań stwierdzono na starych nawierzchniach (sztywne i kruche) 37

38 Dziękuję za uwagę! 38